JP2007110041A - 単一光子発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】量子ドットから放出される光子を、実際に利用できる単一光子パルスとして取り出す効率の高い単一光子発生装置を提供すること。
【解決手段】量子ドット１を光導波路２Ａおよび２Ｂからなる光導波路２の中に埋め込む。光導波路２は、単一光子８を透過させ励起パルス光７を反射するダイクロイックフィルター３を介して光導波路４と接続し、励起パルス光７を透過させ単一光子８を反射するダイクロイックフィルター５を介して光導波路６と接続し、励起パルス光７の吸収によって励起された量子ドット１から単一光子８が出射され、この単一光子８が光導波路２および４を介して取り出されるように構成する。量子ドット１は直接遷移型半導体の微結晶で、励起子ボーア半径ａ_B ^＊の４倍以下の大きさとする。その形状は、１つの主軸が他の主軸よりも長い楕円体状あるいは円柱状などとし、長軸方向９に偏光した直線偏光の光子を量子ドット１から取り出す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、量子暗号通信などに好適に用いられる単一光子発生装置に関するものである。

近年の情報通信やコンピュータ技術の発展はめざましく、その結果、通信情報の機密を保持するために、安全で確実な暗号通信を実現することが重要な課題となっている。

通常の通信チャンネルを用いた情報通信では、常に、通信が第三者によって盗聴される可能性がある。そこで、暗号通信では、二者の間で情報を通信する際に、送信者側が暗号化鍵を用いて情報を暗号化する。これによって、通信が第三者によって盗聴された場合でも、通信内容の安全性が保たれる。この場合、受信者側がその情報を解読するためには、暗号をもとの平文にもどす復号化鍵を保有している必要がある。従って、暗号通信の基本的な課題は、二者の間でいかにして暗号化鍵および復号化鍵を保有するかということである。

現在、インターネットで広く用いられている公開暗号鍵方式では、受信者は暗号化鍵を一般に公開し、復号化鍵を自分だけが保有する。そして、送信者側に暗号化鍵で暗号化した情報を送ってもらい、この暗号文を自分だけが保有する復号化鍵を用いて解読する。このように、受信者は、暗号化鍵と復号化鍵という２種類の鍵を使い分けることによって、不特定多数の送信者からの情報を安全に受け取ることができる。

この公開暗号鍵方式の安全性は、暗号化鍵から復号化鍵を推定することが困難であるという事実によって保証されている。例えば一般的に用いられているＲＳＡ暗号では、復号化鍵を求めるには暗号化鍵である巨大な整数を素因数分解する必要があり、現在のコンピュータの性能でこれを実行するには非現実的な莫大な時間を要する。このため、事実上、暗号解読が不可能であるとされている。しかしながら、並列計算を高速に実行できる量子コンピュータなどが登場すれば、上記の計算を実行するのに要する時間は飛躍的に短縮され、計算速度の限界に基づく安全性は脅かされる。また、公開暗号鍵方式では、第三者によるデータの改ざんなどを防ぐことも不可能である。

一方、通信する二者間で秘密の暗号鍵を共有し、この秘密鍵を一度の通信で使い捨てるワンタイムパッド法があり、この暗号方式は情報理論で無条件安全性が保証されている。ただし、この方式にはどのようにして秘密鍵を安全に共有するかという問題点がある。現在、この秘密鍵を配布する手段として、量子暗号通信が期待されている。なお、秘密鍵方式では暗号化鍵と復号化鍵は同じものであってよい。

従来の光通信が情報の媒体として多数の光子の集合体を用い、その有無によって情報を表現するのに対し、量子暗号通信では１個の光子を媒体とし、その量子状態に１ビットの情報を割り当てる。例えば、量子暗号通信の代表的プロコトルの１つであるＢＢ８４プロトコルでは、光子の４つの量子状態（偏光角度が０度、９０度、４５度、および−４５度の状態）を情報として用いる。

１つの光子の量子状態に情報を付与した場合、各々の光子が保持する情報は量子力学の不確定性原理および観測理論に従うため、光子の状態に影響を与えることなしに情報を取り出すことができない。従って、通信チャンネル上で第三者が情報の盗聴などを行った場合、このような行為は直ちに通信を行っている二者によって検知される。

このように、量子暗号通信による秘密鍵配送方式では、二者間で共有される暗号鍵の安全性は、情報の担い手が単一光子である限り、計算速度の限界ではなく量子力学的原理に基づいて保証される。一方、このような量子暗号通信を実現するためには、単一光子からなる光パルスを繰り返し発生する、信頼性の高い単一光子発生装置が必要となる。

従来、擬似的な単一光子発生方法として、パルスレーザーからの多数の光子を含むパルス光をＮＤフィルタに通し、単一光子パルスになるまで光量を減衰させる方法が用いられている（Rev. Mod. Phys., vol. 74, 145 (2002)参照。）。

この場合、１つのレーザーパルス光に含まれる光子数にはパルスごとにばらつきがあり、ＮＤフィルタによる減光の程度にも確率論的なばらつきがある。このため、レーザーパルス光に含まれる光子数が比較的多く、かつ、ＮＤフィルタによる減光の効果が比較的小さい場合でも、減光後の光パルスに２個の光子が含まれる確率をゼロ近くに抑えようとすると、レーザーパルス光の減光を過剰気味に行わざるを得なくなる。この結果、減光後の光パルスに光子が無くなってしまう割合が、１０回のパルスのうち９回にも達し、単一光子パルスの生成効率が低くなってしまう問題点がある。また、このように過剰に減光したとしても、減光後の光パルスに複数個の光子が含まれる確率を完全にゼロにすることは不可能であり、この方式には情報の安全性の点からも問題が残る。

そこで、後述の特許文献１では、上記の方法とは異なり、量子ドット内での励起子の発光を利用することによって単一光子の発生を可能にする装置が提案されている。ここで、量子ドットとは下記のような性質を有する固体である。

固体内で伝導帯を占める電子の系（以下、単に電子系と呼ぶことにする。）の運動方向の長さをド・ブロイ波長程度（数ｎｍ〜数十ｎｍ程度）に抑えると、電子系の振る舞いは、伝導帯電子がバルクサイズの固体内を動き回る電子系の振る舞いと大きく異なるようになり、その固体材料の電気的または光学的性質を変化させる。伝導帯電子の運動が小さな領域に制限されることに起因して発現する特別な現象を、量子サイズ効果と呼ぶ。量子サイズ効果を示す固体には、電子系の運動が１次元方向でだけ制限された量子井戸、電子系の運動が２次元方向で制限された量子細線、電子系の運動が３次元方向すべてで制限された量子ドットがある。

半導体結晶からなる量子ドットは、例えば数百個から数千個の半導体原子が集まった、大きさ数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の小さな固体である。バルクサイズの半導体結晶の電子系が、連続的なエネルギー準位からなるバンド構造を形成するのに対し、量子ドットの電子系は、離散的で不連続なエネルギー準位を形成する。しかも、これらのエネルギー準位は量子ドットのサイズの影響を受け、サイズが小さくなればなるほどエネルギー準位の高さは高くなり、価電子帯から伝導帯へ電子を励起するためのバンドギャップエネルギーは大きくなる。

量子ドット中の原子が上記のバンドギャップエネルギーに等しいエネルギーをもつ光子を吸収すると、伝導電子とホールが生成する。この際、量子ドットでは伝導電子とホールとが非常に狭い空間に閉じこめられているので、伝導電子がホールに捕らえられて励起子（電子とホールの対）を形成する確率が高い。しかも、バルクサイズ結晶に比べて励起子の束縛エネルギーが大きいので、励起子の解離が起こりにくく、励起子の寿命が長い。また、バルクサイズ結晶に比べて励起子の振動子強度が大きいので、励起子を構成する電子とホールが再結合し、発光して価電子帯へ遷移する確率が大きくなる。以上の結果、量子ドットでは、バルクサイズの結晶に比べて、励起光強度に対する蛍光強度の比が非常に大きくなる。

図８は、特許文献１に示されている単一光子発生装置１００の構成を示す説明図（ａ）、および量子ドット１０３近傍の拡大断面図（ｂ）である。

図８（ａ）に示すように、単一光子発生装置１００では、ｎ型のＧaＡs基板１０１の上に非ドープＡlＡsバリア層１０２が形成され、その上にＩnＡs−ＧaＳb系の量子ドット１０３が、Stranski−Krastanowモード成長法によって多数形成されている。図８（ｂ）に示すように、量子ドット１０３はドット内で組成勾配を有しており、内側にＩnＡsに富んだ層が２〜３分子層程度形成され、外側にＧaＳbに富んだ層が１５分子層程度形成されている。量子ドット１０３の大きさは、直径が２０〜５０ｎｍ程度、高さが５〜１０ｎｍ程度である。

バリア層１０２および量子ドット１０３の上には、量子ドット１０３を埋め込むように厚さが約２０〜３０ｎｍの非ドープＡlＡsバリア層１０４が形成されており、さらにバリア層１０４の上には厚さが約２０ｎｍのｐ型ＧaＡsコンタクト層１０５が形成されている。さらに、コンタクト層１０５の上面およびＧaＡs基板１０１の下面には、それぞれ、上部電極１０６および下部電極１０７がオーミックに形成されている。そして、量子ドット１０３の１つ１０３Ａに対応してその直上の上部電極１０６に光学窓１０６Ａが開口されている。

単一光子発生装置１００で単一の光子が発生する仕組みは、次の通りである。

初め、バイアス電源１０９のスイッチ１０９Ａを開いておく。この状態で半導体レーザー１０８からバンドギャップに対応した波長の励起パルス光１０８Ａを多数の量子ドット１０３に入射させ、各量子ドット１０３内に伝導電子とホールとを生成させる。量子ドット１０３はドット内に組成勾配を有しているので、電子はＩnＡsに富んだ量子ドット１０３の下部に、ホールはＧaＳbに富んだ量子ドット１０３の上部に空間的に分離されて保持され、この状態で励起子を形成する。このような励起子は、電子とホールの波動関数の重なりが少ないため、長い再結合寿命が実現される。

次に、制御回路１０９Ｂによってスイッチ１０９Ａを閉じ、バイアス電源１０９からの逆バイアス電圧を上部電極１０６と下部電極１０７との間に印加する。これによって量子ドット１０３の内部に電界が作用して、電子とホールの空間的分離が解除され、電子とホールが再結合して、各量子ドット１０３から光子が放出される。これらの光子のうち、光学窓１０６Ａの直下の量子ドット１０３Ａから放出された光子のみを光学窓１０６Ａから取り出し、単一光子として出射させる。この際、下記のようにＫＨ₂ＰＯ₄などの電気光学結晶を用いた高速光スイッチ素子からなる光学ゲート部材１１０を連動させ、単一光子の取り出しを確実にする。

すなわち、励起パルス光１０８Ａを用いた励起過程では、複数の電子およびホールが励起され、その結果、励起子分子が形成されるのが避けられない。しかし、これらの複数の電子およびホールは、空間的な分離の程度が上記の励起子に比べて小さいため、短時間、典型的には励起後数百ピコ秒以内に再結合し、発光して消滅する。従って、励起パルス光１０８Ａによる励起の後、励起子分子の再結合寿命以上の時間、例えば１ナノ秒の時間が経過した後にスイッチ１０９Ａを閉じるように構成すれば、励起子分子による発光と励起子による発光を、時間的に分離することができる。このとき、光学ゲート部材１１０のゲートをスイッチ１０９Ａの開閉に連動させ、励起子分子による発光を光学ゲート部材１１０によって遮断し、励起子による発光のみが光学ゲート部材１１０を通過するようにする。

また、後述の特許文献２には、光励起された量子ドットからの発光を利用する別の単一光子発生装置が提案されている。

特開２００４−２５３６５７号公報（第４−７頁、図１−７） 特許第３４２２４８２号公報（第４及び５頁、図１及び２）

図７に示した、特許文献１で提案されている単一光子発生装置では、Stranski-Krastanowモード成長法によって密集して形成された多数の量子ドット１０３が励起パルス光１０８Ａによって区別なく励起され、多数の量子ドット１０３から光子が放出される。従って、１個の量子ドット１０３Ａからの光子のみを取り出すために、上部電極１０６をマスクとして用い、選択用の光学窓１０６Ａを設ける必要がある。光学窓１０６Ａの径は、量子ドット１０３Ａ以外の量子ドット１０３からの光子を通過させないために、むやみに大きくすることはできない。

一方、ＡlＡsバリア層１０４およびＧaＡsコンタクト層１０５には、それぞれ、約２０〜３０ｎｍ程度および約２０ｎｍ程度の厚さがあるので、量子ドット１０３Ａと光学窓１０６Ａとの距離をこれ以下に縮小することはできない。

以上の結果、光学窓１０６Ａが量子ドット１０３Ａに対して張る立体角は全方位の数分の１から数十分の１程度になる。量子ドット１０３Ａからの光子は全方位に向けて放出されるので、光学窓１０６Ａから取り出される光子は量子ドット１０３Ａから放出される全光子の数分の１から数十分の１程度にすぎない。従って、励起パルス光１０８Ａごとに量子ドット１０３Ａから１個の光子が放出されるとしても、実際に単一光子発生装置１００から光子が取り出せるのは、数回から数十回の励起パルス光１０８Ａにつき１回程度に減少する。

また、量子ドット１０３の平面形状はほぼ円形で、結晶形状に異方性がないので、出射される光子の偏光方向を一定に制御することができず、必要な偏光方向の光子が発生した場合にのみ利用できるという偶然に依存しているため、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率が更に低くなるという問題がある。

特許文献２で提案されている単一光子発生装置は、構成や動作が複雑すぎる。また、量子ドットから放出される光子のうち、単一光子パルスとして取り出せる光子の割合を推定できる情報は示されていないが、特許文献２の図１からその割合は小さく、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率は低いと推測される。

本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、量子ドットから放出される光子を、実際に利用できる単一光子パルスとして取り出す効率の高い単一光子発生装置を提供することである。

即ち、本発明は、励起パルス光の入射に応じて単一光子を出射する単一光子発生装置であって、
発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出される、
単一光子発生装置に係わるものである。

情報を伝達する目的で用いられる光子は、一般に、光ファイバなどの光導波路を通じて伝送されることが多い。このようにすれば、光子発生装置とその光子を利用する情報処理装置との間、或いは情報処理装置同士の間で、損失を最小限に抑えながら、安全確実かつ簡易に光子を伝送することができる。

本発明の単一光子発生装置は、励起パルス光の入射に応じて単一光子を出射する単一光子発生装置であるが、
発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出される
ように構成されている。

このため、単一光子の発生源である前記量子ドットと、その光子を伝送する前記光導波路との間に介在するものが何もなく、最短経路で、従って最高の効率で、前記量子ドットから放出された光子を、それを利用する情報処理装置などへ送り出すことができる。この結果、実際に利用できる単一光子パルスの生成効率の高い単一光子発生装置を実現することができる。このような単一光子発生装置は、例えば量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。

本発明において、前記発光材料が直接遷移型半導体材料であるのがよい。直接遷移型の半導体では、フォノンの関与なしに電子とホールの再結合による発光が起こるので、フォノンの関与が必要な間接遷移型の半導体に比べて、電子とホールの再結合による発光が起こる確率がはるかに大きい。

また、前記量子ドットが、励起子ボーア半径の４倍以下の大きさの結晶からなるのがよい。既述したように、前記量子ドットには、量子サイズ効果により電子とホールの再結合による発光が起こる遷移確率が高くなり、蛍光強度が大きくなる効果がある。このような閉じ込め効果は、前記量子ドットのサイズが励起子ボーア半径の４倍以下の場合に著しいといわれている。

また、前記量子ドットが、１つの主軸が他の２つの主軸よりも長い形状を有し、この長軸方向に偏光した直線偏光の光子を出射するのがよい。

また、前記励起パルス光が、前記量子ドットに発生する励起子の寿命よりも短いパルス光であるのがよい。

また、前記励起パルス光及びその散乱光が前記単一光子に混入して取り出されるのを防止する手段を有するのがよい。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に基づく単一光子発生装置１０の構成を示す上面図（ａ）、および量子ドット１を拡大して示す、光導波路接合面２Ｃを光出射側から見た側面図（ｂ）である。

図１（ａ）に示すように、単一光子発生装置１０では、量子ドット１が光導波路２Ａおよび２Ｂからなる光導波路２の中に埋め込まれている。光導波路２は、量子ドット１から放出された単一光子８を透過させ励起パルス光７を反射するダイクロイックフィルター３を介して光導波路４と接続され、励起パルス光７を透過させ単一光子８を反射するダイクロイックフィルター５を介して光導波路６と接続されている。

量子ドット１は、例えばリン化インジウムなどの直接遷移型半導体のナノサイズの微結晶である。直接遷移型の半導体では、フォノンの関与なしに電子とホールの再結合による発光が起こるので、フォノンの関与が必要な間接遷移型の半導体に比べて、再結合による発光が起こる確率がはるかに大きい。

量子ドット１のサイズは、励起子ボーア半径ａ_B ^＊の４倍以下の大きさであるのが好ましい。このとき、量子サイズ効果により電子とホールの再結合による発光が起こる遷移確率が高くなり、蛍光強度が大きくなる効果が著しい。なお、励起子ボーア半径ａ_B ^＊は、下記の式で与えられる。

ここで、κは量子ドット１を形成している発光材料の誘電率、ｈはプランク定数、μは励起子の換算質量、ｅは電子の電荷、ｍ_eは電子の有効質量、そしてｍ_hはホールの有効質量である。

また、図１（ｂ）に示すように、量子ドット１の形状は、１つの主軸が他の２つの主軸よりも長い形状、例えば楕円体状あるいは円柱状であるのが好ましい。このようにすると、量子ドット１から長軸方向９に偏光した直線偏光の光子を放出させることができる。

光導波路２、４および６の材料は光透過性であればよく、特に限定されるものではないが、プラスチックおよび石英などの透明酸化物などがよい。

図２は、単一光子発生装置１０において量子ドット１から単一光子８が放出される仕組みを説明するエネルギー図である。

既述したように、量子ドット１内の伝導帯の電子は、量子サイズ効果によって離散化したエネルギー準位をとっている（図２（ａ））。パルスレーザーなどの励起光源から、価電子帯の最高エネルギー準位１１と伝導帯の最低エネルギー準位１２とのエネルギー差、すなわちバンドギャップエネルギーに対応する波長の励起パルス光７が量子ドット１に入射されると、図２（ａ）に示すように、１個の電子が励起パルス光７を吸収して価電子帯最高エネルギー準位１１から伝導帯最低エネルギー準位１２へ励起され、量子ドット１内に伝導電子とホールが生成する。例えば、量子ドット１がリン化インジウムからなり、サイズが５ｎｍの微結晶である場合、励起パルス光７の波長は８００ｎｍである。

図２（ｂ）に示すように、１個目の電子が伝導帯最低エネルギー準位１２にとどまっている間は、２個目の電子が励起されることはない。これは、２個目の電子が伝導帯最低エネルギー準位１２に励起されると同じ軌道を２個の電子が占めることになり、電子同士の反発で伝導帯最低エネルギー準位１２のエネルギーが上昇するため、２個目の電子を励起できる光の波長が励起パルス光７の波長から短波長側へずれる、すなわち励起パルス光７では２個目の電子を励起するには光子のエネルギーが不足するからである。

量子ドット１内では運動領域が制限されているため、図２（ｃ）に示すように、伝導電子はバルクサイズの結晶に比べてすみやかにホールと結合して励起子を形成する。また、量子ドット１ではバルクサイズ結晶に比べて励起子の振動子強度が大きいので、図２（ｄ）に示すように、励起子を構成する電子とホールがすみやかに再結合し、発光して価電子帯最高エネルギー準位１１へ遷移し、励起子の発光による単一の光子８が量子ドット１から光導波路２へ放出される確率が高い。例えば、量子ドット１がリン化インジウムからなり、サイズが５ｎｍの微結晶である場合、単一光子８の波長は８５０ｎｍである。

この際、励起パルス光７のパルス幅（持続時間）を、伝導電子が励起子を形成するまでの時間に比して十分短くするのがよい。このようにすると、図２（ｂ）に示したように励起パルス光７によって２個目の電子が励起されることがないので、量子ドット１からは１回の励起パルス光７につき単一の光子８のみが放出されることが保証される。図２（ａ）〜（ｄ）に示した一連の工程はすみやかに行われるので、励起パルス光７として繰返し周波数の大きなパルス列を量子ドット１に入射させ、繰返し周波数の大きな単一光子８のパルス列を放出させることができる。

なお、図２（ｃ）に示したように、伝導電子が励起子を形成した後は伝導帯最低エネルギー準位１２が空になるので、再び励起パルス光７の吸収による価電子帯電子の励起が可能になる。従って、励起パルス光７のパルス幅が大きすぎて、図２（ｃ）に示す状態になっても励起パルス光７が入射されると、２個目の電子が励起され、１回の励起パルス光７につき単一の光子８が放出されることが保証されなくなる。

図１（ａ）に示したように、単一光子発生装置１０では、量子ドット１は光導波路２Ａおよび２Ｂからなる光導波路２に埋め込まれており、その光導波路２は単一光子８を透過させるダイクロイックフィルター３を介して光出射側の光導波路４に接続されている。従って、量子ドット１から光出射側に出射された単一光子８Ａは、最短の経路で、損失を最小限に抑えながら、それを利用する情報処理装置などへ導かれる。また、量子ドット１から光出射側とは反対側に出射された単一光子８Ｂは、単一光子８を反射するダイクロイックフィルター５によって反射され、その後は単一光子８Ａと同様、最短の経路で、損失を最小限に抑えながら、それを利用する情報処理装置などへ導かれる。この結果、単一光子発生装置１０は、実際に利用できる単一光子８のパルス列を効率よく生成できる装置であり、例えば、量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。

なお、励起パルス光７は、ダイクロイックフィルター５は透過するが、ダイクロイックフィルター３で反射されるので、光導波路６の側に導かれ、光導波路４の側に導かれることはほとんどないので、光出射側には単一光子８のパルス列のみが導かれる。

図３は、単一光子発生装置１０の製造工程の一部であり、量子ドット１を光導波路２Ａおよび２Ｂの中に埋め込む工程を示すフロー図である。図３（ａ）〜（ｄ）の各右側に上面図、各左側に上面図の右側方向から見た側面図を示している。

まず、図３（ａ）に示すように、光導波路２Ａを用意する。図３（ａ）には、光導波路２Ａの断面形状が円形である例を示したが、その他、矩形や楕円形でもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、光導波路２Ａの光導波路２Ｂとの接合面２Ｃに、塗布などの方法で量子ドット１を１個〜数個固着させる。この具体的な方法は、図４を用いて後述する。

次に、図３（ｃ）に示すように、光導波路２Ａの接合面２Ｃを被覆して、量子ドット１を埋め込むように光導波路２Ｂを形成し、量子ドット１が埋め込まれた光導波路２を完成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、円柱状の光導波路２を中心軸のまわりに回転させ、単一光子の偏光方向が所定の方向を向くようにする。具体的には、励起光を照射して量子ドット１から放出される光子の偏光方向を測定しながら、光導波路２を回転させる方法などがある。また、図３（ｂ）に示した工程で量子ドット１の顕微鏡観察を行った場合には、その際、長軸方向をマーキングしておき、そのマークに基づいて光導波路２を回転させれぼよい。

図４は、単一光子発生装置１０の製造工程における量子ドットの配置方法を示す説明図である。

図４（ａ）に示す方法では、量子ドット１を比較的高濃度で含む分散液を調製し、これを光導波路２Ａの接合面２Ｃに塗布した後、溶媒を蒸発させて、量子ドット１を接合面２Ｃに固着させる。この結果、図４（ａ）の（１）に示した、比較的多数の量子ドット１が接合面２Ｃに固着した状態が形成される。この後、走査型プローブ顕微鏡技術を用いて不要な量子ドット１を取り去り、図４（ａ）の（２）に示すように、１個〜数個の量子ドット１が互いに十分離れた位置に１個ずつ残るようにする。

複数個の量子ドット１を残した場合には、図４（ａ）の（２）に点線で示すように、励起パルス光７のビーム１７の大きさと照射位置を調整し、同時に２個の量子ドット１を励起しないようにする。そして特性の最も優れた量子ドット１を選択して用いるようにする。

ここでは一旦過剰個数の量子ドット１を配置した後、不要な量子ドット１を除くのに走査型プローブ顕微鏡技術を用いたが、走査型プローブ顕微鏡技術を用いて必要個数の量子ドット１を接合面２Ｃに固着させるようにしてもよい。これら２つの方法は、主として実行が容易である方の方法を選択すればよい。

図４（ｂ）に示す方法では、量子ドット１を比較的低濃度で含む分散液を調製し、これを光導波路２Ａの接合面２Ｃに塗布した後、溶媒を蒸発させて、１個〜数個の量子ドット１を接合面２Ｃに固着させる。後は図４（ａ）の方法と同様に、励起パルス光７のビーム１７の大きさと照射位置を調整し、同時に２個の量子ドット１を励起しないようにする。そして特性の最も優れた量子ドット１を選択して用いるようにする。

上記の方法の代わりに、図示は省略したが、１回の塗布量の中に量子ドット１が１個含まれるかどうかという程度の希薄な分散液を調製し、適当な量子ドット１が接合面２Ｃに固着されるまで、分散液の塗布と溶媒の蒸発を繰り返し行う方法を用いてもよい。これらの方法は、分散液の塗布と溶媒の蒸発によって接合面２Ｃに固着された量子ドット１を選択して用いるだけであるので、走査型プローブ顕微鏡技術を用いる必要がなく、簡易である利点がある。

図４（ｃ）に示す方法は、図４（ｂ）に示した方法の変形といえる方法である。図４（ａ）や（ｂ）に示した方法では、光導波路２Ａの接合面２Ｃに直接量子ドット１を配置するのに対し、図４（ｃ）に示す方法では、適当な大きさの光導波路シート１８の上の全面に量子ドット１を適当な濃度で含む分散液を塗布した後、溶媒を蒸発させて、量子ドット１を光導波路シート１８の上に固着させる。次に、図４（ｂ）に示した方法と同様に、励起パルス光７を実際に照射して得られる光子の特性から好適な量子ドット１を見つけ出す。そしてこの量子ドット１を含む光導波路シート１８の一部１９を切り分け、これを光導波路２Ａの接合面２Ｃに接合する。

図５は、本発明の実施の形態の変形例に基づく単一光子発生装置２０の構成を示す上面図である。図１（ａ）に示した単一光子発生装置１０では、励起パルス光７の入射方向と単一光子８の出射方向が同じである。これに対し、単一光子発生装置２０は、励起パルス光７の入射方向が単一光子８の出射方向と直交するように配置され、それに合わせて、励起パルス光７を透過させ単一光子８を反射するダイクロイックフィルター５を配置する位置が変更され、光導波路６が省略されている。

この構造には、単一光子８に励起パルス光７が混入しにくいという利点がある。その他の点では単一光子発生装置１０と同じであるので、単一光子発生装置２０が上述した単一光子発生装置１０の特徴と同じ特徴を有するのは言うまでもない。

以下、本発明の実施例を挙げて、本発明に基づく単一光子発生装置をさらに具体的に説明し、単一光子発生装置としての性能を測定した結果を説明する。

実施例１
参考文献１（J. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology, Nalwa, H. S., Ed.; Academic Press: San Diego, 2000; v. 1, p.427）に記載されている方法を用いて、リン化インジウムを構成材料とし、一辺５ｎｍの結晶サイズを有し、発光波長８５０ｎｍである量子ドットを作成した。

この量子ドットを、図１に示した単一光子発生装置１０に組み込んだ。光導波路２、４および６は、石英からなる。励起用光源として、波長８００ｎｍ、繰返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅２ｎｓのモードロックチタン（Ｔi）ドープサファイアレーザーを用いた。

図６は、本実施例で単一光子８のパルス列の測定に用いた、Hanbury Brown-Twiss 相関計測器を用いた単一光子実証システムである。このシステムでは、単一光子発生装置１０から出射された単一光子８のパルス列は、ビームスプリッタ３１で進路を２方向に分離され、各進路をたどった光子１個１個はそれぞれ光電子増倍菅３２および３３によって検出され、２つの光電子増倍菅３２および３３で電子を検出した時刻の相関がHanbury Brown-Twiss 相関計測器３４によって計測される。

もし、単一光子８のパルス列において、１つのパルス中に単一の光子８だけが出射されていれば、その光子はビームスプリッタ３１を透過して光電子増倍菅３２で検出されるか、または、ビームスプリッタ３１で直交する方向に反射されて光電子増倍菅３３で検出されるかのどちらかであり、光電子増倍菅３２および３３で同時に光子を検出することはない。一方、１つのパルス中に複数個の光子が出射されていれば、有限の確率で光電子増倍菅３２および３３で同時に光子を検出することが起こる。

図６の単一光子実証システムを用いて、単一光子発生装置１０から出射された単一光子８のパルス列の相関測定を行った結果は、図７と同様のグラフになる。図７は、単一光子発生装置から出射された単一光子のパルス列を、Hanbury Brown-Twiss相関計測器を用いて測定した例を示すグラフであり、グラフの横軸は、相関計測器の一方の光電子増倍菅で光子を観測した時刻を基準時刻（ｔ＝０）とした時刻であり、縦軸は、その基準時刻の前後の時刻において、他方の光電子増倍菅で光子を観測した頻度を示している。図７のグラフにおいて、ｔ＝０で光子の検出頻度がバックグラウンドレベルであることは、一方の光電子増倍菅で光子を観測した時刻には他方の光電子増倍菅では光子を観測していないこと、すなわち、２つの光電子増倍菅で同時に光子が観測されることはなく、パルス列の中に複数個の光子を含むパルスが存在しなかったことを示している。

実施例２
参考文献２（Nano-Letters, vol.3, no.6, p.833−837, June 2003）に記載されている方法を用いて、リン化インジウムを構成材料とし、長軸２０ｎｍ、短軸３ｎｍの結晶サイズを有し、発光波長８５０ｎｍである量子ドットを作成した。

この量子ドットを、実施例１と同様に、図１に示した単一光子発生装置１０に組み込んだ。この際、所定の方向に長軸が配向するように実装した。

実施例１と同様な構成で測定を行ったところ、量子ドットの長軸の向きに偏光した単一光子列が観測された。

以上に説明したように、本発明の実施の形態及び実施例に基づけば、高い周波数で所望の偏光角度を有する単一光子のパルス列を生成するデバイスを実現することができる。従来、量子暗号通信にはデータ転送レートを高くすることができないという問題があったが、本発明による単一光子発生装置を用いれば、原理的に盗聴不能で、しかもデータ転送速度の速い量子暗号通信を実現することができる。

以上、本発明を実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

本発明の単一光子発生装置は、単一光子のパルス列を効率よく生成でき、かつ、そのパルス列を利用する情報処理装置などへパルス列を損失少なく送り出すことができる装置であり、例えば、量子暗号通信に好適に用いられ、そのデータ転送速度の向上に貢献することができる。

本発明の実施の形態に基づく単一光子発生装置の構成を示す上面図（ａ）、および量子ドットを拡大して示す、光導波路接合面２Ｃを光出射側から見た側面図（ｂ）である。 同、単一光子発生装置において量子ドットから単一光子が放出される仕組みを説明するエネルギー図である。 同、単一光子発生装置の製造工程の一部である、量子ドット１を光導波路２Ａおよび２Ｂの中に埋め込む工程を示すフロー図である。 同、単一光子発生装置の製造工程における量子ドットの配置方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態の変形例に基づく単一光子発生装置の構成を示す上面図である。 本発明の実施例１によるHanbury Brown-Twiss相関計測器を用いた単一光子発生実証システムの構成を示す説明図である。 単一光子発生装置から出射された単一光子のパルス列を、Hanbury Brown-Twiss相関計測器を用いて測定した例を示すグラフである。 特許文献１に示されている単一光子発生装置の構成を示す説明図（ａ）、および量子ドット近傍の拡大断面図（ｂ）である。

符号の説明

１…量子ドット、２、２Ａ、２Ｂ…光導波路、２Ｃ…光導波路２Ａと２Ｂの接合面、
３、５…ダイクロイックフィルター、４、６…光導波路、
７…励起パルス光（例えば、波長 ８００ｎｍ）、
８、８Ａ、８Ｂ…単一光子（例えば、波長 ８５０ｎｍ）、
９…長軸方向（単一光子の偏光方向）、１０…単一光子発生装置、
１１…価電子帯の最高エネルギー準位、１２…伝導帯の最低エネルギー準位、
１３…励起子のエネルギー準位、１７…励起パルス光ビーム、１８…光導波路シート、
１９…切り分けて光導波路２Ａに接合する光導波路シート、２０…単一光子発生装置、
３１…ビームスプリッタ、３２、３３…光電子増倍菅、
３４…Hanbury Brown-Twiss 相関計測器、１００…単一光子発生装置、
１０１…ＧaＡs基板（ｎ型）、１０２…非ドープＡlＡsバリア層、
１０３…量子ドット（ＩnＡs−ＧaＳb）、１０３Ａ…光学窓直下の量子ドット、
１０４…非ドープＡlＡsバリア層、１０５…ＧaＡsコンタクト層（ｐ型）、
１０６…上部電極、１０６Ａ…光学窓、１０７…下部電極、１０８…半導体レーザー、
１０８Ａ…励起パルス光、１０９…バイアス電源、１０９Ａ…スイッチ、
１０９Ｂ…制御回路、１１０…光学ゲート部材

Claims (6)

1. 励起パルス光の入射に応じて単一光子を出射する単一光子発生装置であって、
   発光材料からなる量子ドットが光導波路中に埋め込まれ、
   前記励起パルス光の吸収によって励起された前記量子ドットから前記単一光子が出射 され、この単一光子が前記光導波路を介して取り出される
   、単一光子発生装置。
2. 前記発光材料が直接遷移型半導体材料である、請求項１に記載した単一光子発生装置。
3. 前記量子ドットが、励起子ボーア半径の４倍以下の大きさの結晶からなる、請求項１に記載した単一光子発生装置。
4. 前記量子ドットが、１つの主軸が他の２つの主軸よりも長い形状を有し、この長軸方向に偏光した直線偏光の光子を出射する、請求項１に記載した単一光子発生装置。
5. 前記励起パルス光が、前記量子ドットに発生する励起子の寿命よりも短いパルス光である、請求項１に記載した単一光子発生装置。
6. 前記励起パルス光及びその散乱光が前記単一光子に混入して取り出されるのを防止する手段を有する、請求項１に記載した単一光子発生装置。
   

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